ポリマーのマーキングと溶着を実現する両用「レーザー添加剤」

ポリマーのマーキングと溶着を実現する両用「レーザー添加剤」

一次加工の段階でポリマーに配合する両用レーザー添加剤により、透明ポリマーと不透明ポリマーの両方でマーキングと透過溶着が可能になります。FDA／医療規格に適合するものを含む新規の化学添加剤により、高強度の気密シール溶着部と、消えない不透明なマーキングコントラストが得られます。レーザーマーキングとレーザー溶着は非接触で制御しやすく、環境にも配慮したプロセスです。手頃な価格の高速レーザーおよび装置向けに設計されており、ポリマーのマーキングと溶着は、今日の複雑な用途の課題に応えます。

重要ポイント

• 1つのコンパウンドで2つのプロセスに対応します。両用添加剤により、同じ材料でマーキングと透過型レーザー溶着の両方が可能です。
• TTLWは、加熱、融合（メルディング）、溶着の3段階で進み、標準的な溶着時間は1～8秒です。
• 2つの部品には、正反対の光学特性が必要です。上側は波長を透過し、下側は薄い層でそれを吸収しなければなりません。
• 中程度の吸収率は最悪のケースです。厚さ全体が加熱されてしまい、接合部のどちら側の部品にも不向きになります。
• レーザー溶着は、バリ、微粒子の発生がなく、熱影響部が最小限で、部品表面を傷つけない気密シールを実現します。

よくあるご質問

レーザー溶着における「透過」とはどういう意味ですか？

レーザーはレーザー透過性の上側部品を通過し、レーザー吸収性の下側部品の表面で吸収されます。部品はあらかじめ組み立てて固定し、接合面を密着させ、その界面で溶着部が形成されます。

透過型レーザー溶着にはどのような段階がありますか？

3段階です。加熱段階では、レーザーが界面の吸収性ポリマーを加熱し、ポリマーが膨張して溶着圧力が高まります。融合（メルディング）段階では、さらに膨張して圧力が増し、わずかな溶着が起こります。溶着段階では、十分な溶融材料が崩れて実際の溶着部が形成され、通常は0.13 mm程度です。

ガラス充填材料もレーザー溶着できますか？

最大50%のガラスを充填した材料も溶着されていますが、気密シールには対応していません。充填材、添加剤、顔料はいずれもポリマーのレーザー光への応答を変えるため、レーザー溶着は他のどの接合プロセスよりも材料の適合性に敏感です。

超音波溶着やホットプレート溶着ではなく、レーザー溶着を選ぶのはなぜですか？

平滑なガラス板の下で軽く固定する非接触方式のため、部品を傷つけず、振動も伝わりません。溶着部は表面下にあってほとんど見えず、熱影響部が非常に小さいため、あらかじめ組み込んだ繊細な部品も損なわれません。バリのトリミングも不要で、気密性のあるガスタイトシールも実現できます。

異種プラスチック同士をレーザー溶着できますか？

必要な光学的・熱的条件を満たしていれば可能です。各ポリマーは、溶着に使われる3つの主要な波長の透過率がそれぞれ異なるため、両方の材料を個別ではなく組み合わせて評価する必要があります。

製品用途

ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル（PVC）、スチレン系、熱可塑性エラストマー（TPU）、熱可塑性ポリウレタン（TPE）を含む、透明、半透明、不透明の着色ポリマーは、重金属を含まず、FDA／欧州食品安全機関（EFSA）承認済みの添加剤を用いて独自に配合され、レーザー溶着製品を含め、高コントラストのマーキング品質を実現します（図1）。ポリマーの透明度、分光透過率、基本的な物性は影響を受けません。非接触のデジタルレーザーマーキングは、高価な粘着ラベルやインク・化学薬品を使う印刷工程に代わるもので、コスト効率が高く、環境にも優しく、優れた美観が得られます。

レーザーマーキングの表面反応メカニズム

近赤外（NIR）レーザー（波長1,060～1,080 nm）向けのレーザー化学添加剤の配合における進歩には、イッテルビウムファイバーレーザー、バナデートレーザー、Nd:YAGレーザーとの適合性が含まれます。ほとんどのポリマーは、化学添加剤なしではNIR吸収特性を持ちません。レーザーでマーキングできるポリマーとは、レーザー光を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換するポリマーです。局所的な変色を生じさせるため、レーザーエネルギーの吸収を高める添加剤、充填材、顔料、染料が使われます。求めるマーキングコントラストと機能に応じて、配合化学やレーザー光学・セットアップのパラメータは大きく異なります。

図1に2つの一般的な表面反応メカニズムを示します。1つ目は熱化学的な「炭化」または「焦げ」で、基材に吸収されたエネルギーが吸収部位周辺の材料の局所温度を上げ、ポリマーの熱分解を引き起こします。マークの濃淡は、吸収されたエネルギーと、材料固有の熱分解経路によって決まります。レーザーのセットアップを最適化することで、表面の炭化残渣を最小限に抑えられます。

2つ目の表面反応は「発泡」で、分解時に蒸気を放出する添加剤によって起こる化学変化により、ポリマーが発泡します。発泡の過程で、レーザーエネルギーは発泡剤の近くにある添加剤に吸収されます。吸収剤の熱で発泡剤が分解し、蒸気が放出されます。レーザーの動作パラメータを厳密に制御することで、暗色の基材に高品質で耐久性のある明るい「白」のマークを形成できます。

3つ目の反応（図には示していません）では、レーザーエネルギーを使って、混合着色剤中の1つの着色剤を加熱・分解し、変色を生じさせます。一例が、カーボンブラックと安定した無機着色剤の混合物です。加熱するとカーボンブラックが除去され、無機着色剤が残ります。こうした混合着色剤システムは、特定の着色剤の安定性に左右され、すべての変色が可能なわけではありません。カーボンブラック配合はレーザー溶着に不可欠です。

マーキングと溶着のためのレーザー添加剤化学

近赤外レーザー添加剤はコントラストの度合いを高め、レーザーのセットアップパラメータを変更することで、さらに強められます。ポリマーには、「暗色」または「明色」のマーキングコントラストを生じる固有の特性があります。二酸化チタン（TiO2）とカーボンブラックを少量含む一部の着色剤コンパウンドも、レーザー光を吸収し、マーキングコントラストを向上させることがあります。同じポリマーファミリー内でも、グレードごとに結果は異なります。添加剤の配合は、有毒であってはならず、製品の外観、物性、機能特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

インク印刷プロセス（パッド印刷、スクリーン印刷、インクジェット）と比べて、レーザー添加剤はコスト削減につながり、最適化されていない材料に比べて20%以上速いマーキング速度を示すことがあります。レーザー添加剤は、ペレット状の顆粒と粉末で供給されます。顆粒品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末品はマスターバッチに加工します。ほとんどがポリマー中に容易に分散します。添加剤とポリマーにもよりますが、（最終部品中の）配合濃度は重量比で0.01～4.0%です。

顆粒でも粉末でも、あらかじめコンパウンドしたカラー材料やカラーコンセントレートにブレンドできます。どの添加剤を配合するかは、ポリマー組成、基材の色、求めるマーキングコントラストの色、最終用途の認証要件によって決まります。押出成形、射出成形、熱成形では、カラーコンセントレートよりもプレカラーコンパウンド材料のほうが均一性に優れます。手混ぜは避けてください。金型内の流動やゲートの種類・位置も重要な要素です。最適なマーキング性能を得るには、各部品全体にレーザー添加剤が均質に分布・分散していることが不可欠です。

一部の添加剤にはアンチモンドープ酸化スズと三酸化アンチモンの混合物が含まれ、天然（無着色）の基材の不透明度に「灰色がかった」色調を与えることがあります。アルミニウム粒子、混合金属酸化物、独自の化合物を含む添加剤もあります。最終的な色合わせの外観は、顔料と染料で色を調整して実現します。市販品として供給される特定の添加剤（レーザー溶着にも使用）は、21 CFR 178.3297「ポリマー用着色剤」の条件A～Hに基づき、食品接触および食品包装用途でFDAの承認を受けています。欧州連合にも同様の適合宣言があります。認証条件は、ポリマーの種類、配合量のしきい値、直接接触か間接接触かによって異なります。FDA承認済み添加剤を「最終部品」にブレンドした状態でさらに適格性を確認することで、医療機器の生体適合性を達成できます。

レーザー添加剤の配合・色合わせの化学において、完成品に含まれるレーザー添加剤が計算量より少なくなることは珍しくありません。この問題はほぼ常に、押出成形や成形時の不均一な分布に起因します。背圧やスクリュー回転数を上げるなど、成形機の簡単な調整で、ほとんどの問題は解決します。最適なマーキング性能を得るには、各部品全体にレーザー添加剤が均質に分布・分散していることが不可欠です。押出成形、射出成形、熱成形では、カラーコンセントレートよりもプレカラーコンパウンド材料のほうが均一性に優れます。手混ぜは避けてください。金型内の流動やゲートの種類・位置も重要な要素です。

透過型レーザー溶着の原理

「透過」という用語は、図2に示すように、レーザーがレーザー透過性の上側部品を通過し、レーザー吸収性の下側部品の表面に達することに由来します。プラスチックの透過型レーザー溶着（TTLW）には3つの段階があります。TTLWでは、部品をあらかじめ組み立てて一緒に固定し、接合面同士を密着させます。本稿では、高出力ダイオードレーザー（λ=800～1,000 nm）と固体レーザー（イッテルビウムファイバーレーザーおよびNd:YAGレーザー、λ=1,060～1,080 nm）を使用します。

加熱段階では、レーザーエネルギーが界面のレーザー吸収性ポリマーを加熱し、部品が膨張して溶着圧力が高まります。ビームの焦点ではレーザー出力が最大となり、その地点から部品が溶け始めて溶融域が形成されます。これが第2段階である融合（メルディング）段階の始まりです。部品はさらに膨張し、それに伴って圧力も増加します。この時点で、わずかな溶着が起こっています。

溶着段階が最終段階です。十分な溶融材料が生成されて、実際の溶着部が形成されます。ホットプレート溶着や融着溶着と同様に、溶融材料が崩れます。ほとんどの用途で、その量は0.13 mm（0.005インチ）程度です。標準的な溶着時間は、ほとんどの用途で1～8秒程度ですが、大型部品ではさらに長くなることがあります。TTLWには4つの主要なレーザー溶着プロセスがあります。輪郭溶着、マスク溶着、同時溶着、準同時溶着です。

溶着する2つの部品は、与えられた溶着波長において異なる光吸収特性を持つ必要があります。上側のレーザー透過性部品は波長をできるだけ多く透過し、下側のレーザー吸収性部品は薄い層でできるだけ多く吸収しなければなりません。これにより、最もエネルギー効率の高い組み合わせが得られます。界面で多くのエネルギーが吸収されるため、下側部品が溶着に十分軟化する前に上側部品が劣化する事態も避けられるためです。反射率が高すぎる場合も、溶着に必要なエネルギー量が増加します。

レーザー溶着は、他のどの接合プロセスよりも材料の適合性に敏感です。理論上、レーザー溶着はレーザービームを透過するすべての熱可塑性樹脂を溶着できます。ただし、レーザー溶着で使用される3つの主要な波長のレーザー光を透過するポリマーの能力は、ポリマーごとに異なります。さらに、特定のポリマーのレーザービームへの応答は、充填材、添加剤、顔料の存在によって変化します。

吸収率の高い材料は、溶着界面でエネルギーの大部分を吸収し、レーザー溶着に理想的な薄い加熱表面層を形成するため、TTLW溶着の下側部品に最適です。吸収率が中程度の材料は、材料の厚さ全体でレーザーエネルギーを吸収し、材料の厚さ全体が加熱されてしまうため、問題になる場合があります。こうした材料はエネルギーをほとんど通さないため、TTLWレーザー溶着の上側材料には不向きです。さらに、上面でもあまり多くのエネルギーを吸収しないため、下側材料としても適していません。最大50%のガラスを充填した材料も溶着されていますが、気密シールには対応していません。

TTLWの主な利点は次のとおりです。

• 非接触溶着。レーザー溶着では、平滑なガラス板で溶着する部品を100ポンド以下の軽い固定力で保持し、溶着器具との接触はありません。そのため、溶着部品の表面を傷つけるものがなく、繊細な部品を損傷しかねない溶着圧力も不要です。
• 表面下での溶着。溶着は2つの部品の界面で行われます。透明な部品では溶着部はほとんど見えず、不透明な部品では完全に見えません。溶着部は、表面のすぐ下にも、部品の深部にも設定できます。
• 高精度な溶着。レーザー溶着部の大きさと位置は非常に正確に設定でき、溶着する部品に振動は伝わりません。レーザーと被溶着物の相対運動が必要な方式でも、動くのはレーザーです。そのため、レーザー溶着は溶着プロセスの中で最も高精度です。
• 熱影響部が最小限。溶着スポットは非常に小さく、熱影響部も限定的です。その結果、他の部品のすぐ近くでも影響を与えずに溶着でき、感応性の高い繊細な部品をあらかじめ組み込んだサブアセンブリの溶着も可能です。さらに、熱による変形や劣化は極めて限定的で、残留応力も低減されます。
• 異種プラスチックの溶着が可能。必要な条件を満たす異種プラスチック同士を溶着できます。
• バリなし。レーザー溶着では、溶着部が完全に閉じた状態にあり、トリミングが必要なバリは発生しません。遊離した微粒子もありません。
• 気密シール。レーザー溶着は、気密でガスタイトな溶着部を形成できます。
• エネルギー効率。他の溶着プロセスと比べて、レーザー溶着は非常にエネルギー効率が高くなります。また、作業場から除去すべき余分な熱が発生しないことも意味します。

結論

ポリマーに配合した両用レーザー添加剤は、優れたマーキングコントラスト、線の端部の精細さ、速度をもたらします。これらの添加剤は、同種および異種の熱可塑性樹脂のレーザー溶着を最適化します。手頃な価格のファイバーレーザー技術の進歩が大きな役割を果たしてきました。これらのメリットにより、添加剤による材料コストの増加分はすぐに相殺されます。レーザーマーキングとレーザー溶着に向けた材料科学の化学を最適化するには、溶解度、粒子径、しきい濃度限界、色合わせ、規制認証（GRAS、FDA直接／間接食品接触）に関して、ポリマー、着色剤、顔料、染料の専門知識が必要です。ポリマーのレーザーマーキングとTTLWは、今日の用途の課題に応えます。

参考文献

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser（The Sabreen Group Inc.の専門コンサルタント）。溶着に関する抜粋は、Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009より

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工（レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。Sabreenは30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は電話972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.plasticslasermarking.comをご覧ください。

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